Trước trận đánh Chi khu quân sự Bù Đăng vào đêm 13/12/1974, lúc ông đang rốt rét, thủ trưởng đơn vị không đồng ý để ông tham gia trận đánh. Song ông viết đơn xung phong tham gia cùng với 4 đồng đội của mình và được cấp trên giao nhiệm vụ tổ trưởng tổ bộc phá. 

Hành trình tiến công có địa hình trống trải, sườn đồi dốc, hoả lực của địch rất ác liệt, ông cùng đồng đội thay nhau đặt bộc phá, liên tiếp các lớp hàng rào của địch bị phá tung. Đến tầng hàng rào cuối cùng, đã 2 lần đặt xong bộc phá, nhưng vì độ dốc quá lớn, móc bộc phá bị tụt, rơi xuống. Trước tình thế hết sức khẩn trương đó ông đã ôm bộc phá xông lên, bám vào hàng rào, tìm cách khắc phục, đặt được bộc phá, giật nụ xòe và định lui về vị trí thì bộc phá trượt khỏi hàng rào lăn xuống sườn dốc về phía đồng đội. Là quả bộc phá cuối cùng và có nguy cơ gây thương vong lớn cho đồng đội, Đoàn Đức Thái đã ôm quả bộc phá đang xòe lửa, lao ngược lên đồi dốc và dùng thân mình giữ chặt quả bộc phá vào tầng hàng rào cuối cùng và hô vang "Quyết tử cho Tổ quốc quyết sinh! Xung phong! Xung phong!". Bộc phá nổ, hàng rào cuối cùng bật tung, ông hy sinh vào rạng sáng ngày 14/12/1974.

Sau khi hàng rào được mở, đồng đội của anh đã tiến lên tiêu diệt và bắt sống toàn bộ quân địch. Chiến thắng này tạo thế mở rộng vùng giải phóng dọc quốc lộ 13, tạo bàn đạp quan trọng cho chiến dịch Hồ Chí Minh tiến về giải phóng Sài Gòn năm 1975.